1.前言
随着现代社会进入以电子尤其是微电子技术为核心的时代，电子产业已成为现代经济的重要支柱产业，体现了一个国家科技水平、工业水平和综合国力。我国是电子产品消费大国，为了加快电子产业建设的进程，我国各级政府都把电子产业作为重点支持、大力扶持的行业，制订并颁布了许多特殊优惠政策，简化审批手续，减税让利，旨在为中国境内的电子产业的发展创造优良的环境。在国家一系列政策的激励下，国内电子产业掀起了一轮前所未有的热潮，我国电子产业的发展加快了步伐，一大批具有世界先进水平的电子工厂纷纷落户国内。
在电子工业的生产工艺中，相当多的工序要进行化学处理，而电子产品的清洗和化学药剂的制备都直接或间接地要利用到纯水或超纯水。随着电子工业的发展，尤其是以超大规模集成电路为代表的半导体产业的发展，对纯水的水质提出了更高的要求，表1所列为美国材料测试协会（ASTM）根据半导体特性而制定的超纯水水质要求。 表1 电子级水质标准（ASTM D5127）
参 数 | Type E-1 | Type E-11 | Type E-12 | Type E-2 | Type E-3 | Type E-4 |
线宽μm | 1.0-1.5 | 0.5-0.25 | 0.25-0.18 | 5.0-1.0 | ﹥5.0 | / |
电阻率 MΩ.cm(25℃) | 18.2 | 18.2 | 18.2 | 17.5 | 12 | 0.5 |
内毒素单位(EU/ml) | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.25 | / | / |
总有机碳(μg/L) | 5 | 2 | 1 | 50 | 300 | 1000 |
溶解氧(μg/L) | 1 | 1 | 1 | / | / | / |
蒸发残渣(μg/L) | 1 | 0.5 | 0.1 | / | / | / |
电镜测试颗粒 |
0.1—0.2μm | 1000 | 1000 | 200 | / | / | / | 碳化硅纳米线
0.2—0.5 | 500 | 500 | 100 | 3000 | / | / |
0.5—1 | 50 | 50 | 1 | / | 10000 | / |
10 | / | / | / | / | / | 100000 |
在线检测仪器测试颗粒/L |
0.05—0.1μm | 500 | 500 | 100 | / | / | / |
0.1—0.2 | 300 | 300 | 50 | / | / | / |
0.2—0.3 | 50 | 50 | 20 | / | / | / |
0.3—0.5 | 20 | 20 | 10 | / | / | / |
﹥双绞线视频传输器0.5 | 4 | 4 | 1 | / | / | / |
细菌 |
个/100ml | 1 | 1 | 1 | / | / | / |
| | | | | | |
个/1L | 1 | 1 | 0.1 | 10 | 10000 | 100000 |
全硅(μg/L) | 1 | 0.5 | 0.5 | 10 | 50 | 1000 |
溶解性硅(μg/L) | 1 | 0.1 | 0.05 | / | / | / |
离子和金属(μg/L) |
铵（NH4）+ | 0.1 | 0.1 | 0.05 | / | / | zigbee组网/ |
溴（Br）- | 0.1 | 0.05 | 0.02 | / | / | / |
氯（Cl）- | 0.1 | 0.05 | 0.02 | 1 | 10 | 1000 |
氟（F）- | 0.1 | 0.05 | 0.03 | / | / | / |
硝酸根（No3）- | 管道防爬刺0.1 | 0.05 | 0.02 | 1 | 5 | 100 |
亚硝酸根（No2）- | 0.1 | 0.05 | 0v型锚固钉.02 | / | / | / |
磷酸根（Po4）3- | 0.1 | 0.05 | 0.02 | 1 | 5 | 500 |
硫酸根（So4）2- | 0.1 | 0.05 | 0.02 | 1 | 5 | 500 |
铝 (Al)3+ | pvc胶粒0.05 | 0.02 | 0.005 | / | / | / |
钡 (Ba)2+ | 0.05 | 0.02 | 0.001 | / | / | / |
硼 (B)3+ | 0.05 | 0.02 | 0.005 | / | / | / |
钙 (Ca)2+ | 0.05 | 0.02 | 0.002 | / | / | / |
铬 (Cr)6+ | 0.05 | 0.02 | 0.002 | / | / | / |
铜 (Cu)2+ | 0.05 | 0.02 | 0.002 | 1 | 2 | 500 |
铁 (Fe)3+ | 0.05 | 0.02 | 0.002 | / | / | / |
铅 (Pb)2+ | 0.05 | 0.03 | 0.005 | / | / | / |
| | | | | | |
从以上标准可以看到，目前代表纯水最高制水要求的超纯水的电阻率已接近理论上的临界值，而其它杂质尤其是微小颗粒及细菌的检测也接近目前所能检测的极限，而超纯水中的离子含量，从原水中的数十个ppm降低至1个ppb以下的要求，就等于要把离子浓度降为原来的十万分之一，能否制备出合乎要求的超纯水以及能否检测出超纯水中的超微量杂质，已成为提高集成电路产品质量的关键，超纯水制备已成为当今发展超大规模集成电路的十分重要的基础技术。
但是必须看到由于集成电路加工生产工艺复杂，加工精度高，大多数工序都要使用超纯水进行清洗，不仅对水质要求较高，同时水资源消耗量也较高。对一个达到30k片/月量产规模的12英寸生产线来说，若清洗设备排水回收率以65%计，其每天用于超纯水制造的原水（自来水）就需要3277 m3/天。如果不考虑使用后的纯水的回用，其耗水量可达到8082 m3/天，可见集成电路芯片制造耗水量是相当惊人的。因此在该类项目的设计工作中，通过对生产过程水耗的全面分析，确定合理的用水指标，用于指导建设单位和设计部门不断采取措施改进设计，采用先进的工艺技术与设备，提高供水水质，提高资源利用效率，对于保障生产，节约用水以及保护环境都有着重大意义。
2.超纯水制备简介
纯水的制备始于二十世纪四十年代，伴随着离子交换树脂的商业化生产而发展起来。传统的纯水以电导率为表征，主要关注于去除水中的电解质。超纯水的概念是伴随着半导体工业的发展而发展起来，超大规模集成电路的发展导致了对超净技术的强烈需求，带动了洁净室、超纯水以及超纯气体等生产支持系统的迅速发展。与传统的纯水相比，超纯水不仅关注去除水中的溶解电解质，还关注于去除水中的有机物、溶解氧、细菌以及微小颗粒等杂质。随着半导体元器件的集成度的不断提升，生产的工艺步骤越来越多，元件被重复清洗，对作为清洗介质的超纯水的要求越来越高，如果超纯水品质达不到要求，其本身对器件就是一种污染，更谈不上清洗。
作为制造超纯水的原水通常含有电解质、有机物、悬浮物、微生物以及溶解性气体等杂质，任何一种单一的处理手段都难以将所有的污染物全部去除，为了有效去除各种杂质，需要各种处理手段的综合运用。
从习惯上我们把超纯水系统分为三部分：预处理、初级处理和抛光精制部分。
预处理系统通常由过滤、杀菌和防氧化工艺组成，常用的预处理手段包括氯消毒、絮凝/助凝、澄清、过滤、脱氯、加酸或阻垢剂等。预处理方案的确定主要取决于原水水质和后续
处理工艺的进水要求，进行全面而准确的原水全分析，合理设计预处理系统对保证系统的高效运行具有十分重要的意义。
初步处理系统是超纯水系统中最重要的系统，同时也是设计的难点所在。通过初步处理系统，原水中的电解质、微生物、颗粒物、溶解性气体和有机物浓度都大大降低，同时电阻率大大提高。常用的初级处理手段包括反渗透、离子交换器、膜脱气、紫外设备（254nm UV和185nm UV）等。初级处理系统通常分为两类：
1）RO+IX型：该系统中RO单元设置于离子交换床前，投资较省，占地面积较小，维护管理简单，浓缩废水可直接排放，但对预处理要求高，原水利用效率低，运行费用高，通常适用于小型系统。
2）IX+RO型：该系统中RO单元设置于离子交换床后，投资较高，占地面积较大，维护管理复杂，需要专人操作，再生废水需要处理，但是该系统对预处理要求相对较低，原水利用率较高，运转费用较省，广泛应用于大型系统。
通过初级处理系统处理后制成的初级纯水电阻率通常达到15MΩ.cm，TOC、颗粒物以及溶
解氧等含量也大大降低，但其水质仍旧需要进入精制处理工序进一步提高以满足集成电路生产所需。超纯水处理系统的精制处理部分大多相似，只是处理精度略有差异。精制处理部分通常包括TOC UV、抛光混床、膜脱气以及超滤装置。通过抛光精制的初级纯水杂质含量进一步降低，由管路输送系统输送至各用水点。
3.超纯水制备技术现状
最近几年超大规模集成电路的生产有了快速发展，在高端产品上，芯片尺寸正从200mm向300mm转变，作为集成电路生产技术先进性标志的芯片特征尺寸已从0.15μm、0.13μm快速提高到目前的0.045μm，其发展速度已超过最初的预计。半导体生产技术的发展，对超纯水的水质提出了更高的要求，超纯水中所含杂质的允许含量越来越低，同时需要控制的杂质种类也越来越多。当前很多杂质的含量已低于分析设备的分析下限，因此进一步提高水质要求必然要依靠两方面的突破：1）进一步降低杂质含量；2）进一步提高杂质的分析技术水平。
1.随着半导体生产技术的发展，生产工艺及生产设备也在不断改进和完善，对超纯水用水量及水质的需求也在不断调整。
以芯片生产技术为例，目前主流的200mm的芯片厂由于已有大量的实际运行经验，与之配套的超纯水系统的容量及水质要求的确认已基本完善和成熟。但是300mm芯片厂的实际运行资料和运行经验还在不断积累和总结之中。一方面，由于芯片集成度的提高，工艺生产步骤增多，导致清洗次数增加，对水质的要求提高，清洗废水中杂质的种类增多，回收利用的难度加大；另一方面，生产技术也在不断完善的过程中。传统的湿法工艺、单片的芯片清洗设备以及间歇式生产设备均有可能得到巨大的改进，干法刻蚀的改进和运用都会降低超纯水的消耗量，而新的生产技术如激光/超临界CO2/超低温清洗技术的发展都对超纯水用量带来或大或小的影响，生产技术的不确定性对超纯水系统容量的确定带来了一定的困难。但是不管生产技术如何变化，超纯水系统必须随时要满足生产的需要。为满足新的芯片生产工艺技术的出现所带来的变化，超纯水系统模块化设计是一个必然的趋势。
